В современном мире остро стоит проблема полного использования пищевого сырья и, в частности, проблема разделения компонентов пищевого сырья для последующего синтеза на их основе разнообразных пищевых продуктов. В связи с этим в последние десятилетия особое внимание на себя обратили мембранные технологии, которые по сравнению с традиционными методами разделения обладают рядом преимуществ (энергоэффективность, отсутствие воздействия высоких температур и т. д.). Однако есть у них и недостатки. Наиболее существенным является образование на мембране слоя с повышенной концентрацией задерживаемых веществ (явление концентрационной поляризации), что в дальнейшем приводит к образованию слоя геля на её поверхности. Именно в нём сосредоточено основное сопротивление массопереносу.
Способам снижения концентрационной поляризации и увеличению производительности действующего мембранного оборудования посвящено значительное количество теоретических и экспериментальных исследований. Возможности усовершенствования стандартных способов практически исчерпаны и не приносят ощутимых результатов, поэтому целесообразно использовать иной подход и рассмотреть концентрационную поляризацию не как негативное явление, а наоборот, как создающее дополнительные возможности для повышения полноты и скорости разделения.
Согласно классификации [1], предложенной авторами, мембранные аппараты разделяют на конструкции, не предусматривающие снижение концентрационной поляризации, уменьшающие концентрационную поляризацию и использующие это явление. Наиболее перспективными являются аппараты, относящиеся к третьей группе. В них производится отвод части слоя, имеющего повышенную концентрацию задерживаемых веществ (диффузионного слоя).
Одной из первых конструкций данной группы был аппарат, изображенный на рис. 1 [2].
Он состоит из гайки 1, которая с помощью резьбы 2 присоединяется к дренажной трубке 3, на которой находится мембрана 4. Внутри гайки находится коническая втулка 5, имеющая прорези 6 для прохода разделяемого раствора. Между внешней стороной конической втулки и гайкой имеются зазор 11, каналы и отводные каналы 7 и 8 соответственно для прохода и отвода слоя концентрата, имеющего повышенное содержание задерживаемых веществ. Крепление устройства осуществляется с помощью фланца 9, в котором имеется выходное отверстие 10.
Рис. 1. Аппарат для мембранного разделения:1 – гайка; 2 – резьба; 3 – дренажная трубка; 4 – мембрана; 5 – втулка; коническая; 6 – прорези; 7, 8 – переточные и отводные каналы; 9 – фланец; 10 – выходное отверстие; 11 – зазор
Аппарат работает следующим образом. В процессе фильтрования на поверхности мембраны происходит образование слоя с повышенным содержанием задерживаемых веществ. Высота слоя концентрата достаточно мала. Поворачивая гайку 1 можно добиться, чтобы величина зазора между мембраной 4 и внешней поверхностью конической втулки 5 была минимальной и сопоставимой с толщиной концентрата. После этого открывают канал 8 и добиваются устойчивого отвода концентрата. Оставшаяся часть раствора проходит через внутреннюю часть конуса и далее через выходное отверстие 10. Для предотвращения образования застойных зон между конической втулкой и мембраной, а также возможной турбулизации потока в конической втулке предусмотрены кольцевые прорези 6.
Основным недостатком данного аппарата является образование застойных зон, вследствие чего снижается производительность.
Дальнейшие работы были направлены на увеличение производительности. В связи с чем была предложена конструкция, изображённая на рис. 2 [3].
Она состоит из корпуса 1 и кожуха 2. Отвод продукта осуществляется через кольцевые щели 4 и 5 и патрубок 3. Внутри корпуса находится полый шток 6, на конце которого выполнен конус, положение которого может регулироваться за счёт резьбы 7. Устройство присоединяется к трубчатой мембране 8. На корпусе имеется штуцер 9 для отвода диффузионного слоя. Устройство работает следующим образом. Исходный раствор под давлением, проходя по трубчатой мембране 8, фильтруется. При этом на её внутренней поверхности образуется слой с повышенным содержанием растворенных веществ. Поток и слой устремляются в корпус 1, в котором выполнены две кольцевые щели 4 и 5. При этом давление, возникающее в первой из них, будет больше чем во второй. Это происходит за счет перемещения конуса штока 6.
Рис. 2. Аппарат для мембранного концентрирования: 1 – корпус; 2 – конус; 3 – штуцер; 4, 5 – щели; 6 – шток; 7 – резьба; 8 – трубчатая мембрана; 9 – штуцер
Основная часть потока разделяется полым конусом на две части: диффузионный слой с более высокой концентрацией и основной поток. Диффузионный слой проходит по кольцевому пространству между поверхностями штока 6 и корпуса 1, и отводится из штуцера 9, имеющего вентиль для плавной регулировки. Оставшаяся часть потока (с меньшей концентрацией) выводится через отверстие в полом штоке.
В данной конструкции увеличение производительности процесса концентрирования предусмотрено за счет одновременного отвода диффузионного слоя через кольцевое сечение и зазор между полым конусом и втулкой.
Недостатком данного аппарата является сложность изготовления.
Основной целью при разработке конструкции мембранного аппарата, изображенного на рис. 3 [4] было увеличение производительности по отводимому диффузионному слою и простота изготовления.
Устройство состоит из корпуса 1, на котором находится кожух 2 со штуцером 3. Корпус имеет конические отверстия 4. Внутри корпуса находится коническая втулка 5 с проточкой. Положение втулки регулируется при помощи резьбы 6. Устройство присоединяется к трубчатой мембране 7.
Рис. 3. Аппарат для мембранного концентрирования: 1 – корпус; 2 – кожух; 3 -штуцер; 4 – отверстия; 5 – коническая втулка; 6 – резьба; 7 -трубчатая мембрана
Устройство работает следующим образом. Исходный раствор под давлением, проходя по трубчатой мембране 7, фильтруется. При этом на внутренней поверхности мембраны образуется подвижный диффузионный слой с повышенным содержанием растворенных веществ (явление концентрационной поляризации). Диффузионный слой, за счет разности давлений, устремляется в зазор между наружной поверхностью конической втулки 5 и корпусом 1 и, проходя через отверстия 4, попадает в кожух 2, а затем отводится через штуцер 3. Коническая форма отверстий предусматривает более интенсивный отвод через них диффузионного слоя. За счет изменяющейся геометрии конуса (уменьшения внешнего диаметра) происходит увеличение давления среды при движении вдоль его образующей. Это позволяет отвести большую часть слоя, находящегося в зазоре. Основная часть потока (с меньшей концентрацией) направляется во внутреннюю полую область конической втулки 5, не создавая застойных зон. Этому способствует как проточка на входе в конус, так и изменяющийся внутренний диаметр.
Предложенная форма конической втулки и конические отверстия в корпусе позволяют увеличить концентрацию и количество отводимого диффузионного слоя по сравнению с аналогичными конструкциями.
Проанализировав существующие конструкции мембранных аппаратов и результаты их исследований, было определено, что отводится лишь часть диффузионного слоя. С целью увеличения его количества была предложена конструкция мембранного аппарата (рис. 4), в которой за счет создания оптимальных условий работы осуществляется интенсификация процесса мембранного концентрирования [заявка на изобретение № 2012138966 от 11.09.2012].
Рис. 4. Аппарат для мембранного концентрирования: 1 – корпус; 2,4 – кожухи; 3,5 – штуцеры; 6,7,8 – кольцевые щели; 9 – подвижный шток; 10, 11, 12, 13 – резьбы; 14 – трубчатая мембрана
Устройство состоит из корпуса 1, на котором находится кожух 2 со штуцером 3 и кожух 4 со штуцером 5. Корпус имеет кольцевые щели 6, 7 и 8. Внутри корпуса находится подвижный шток 9 переменной конфигурации. Положение штока регулируется при помощи резьбы 10, а положение кожухов при помощи резьбы 11, 12 и 13. Устройство присоединяется к трубчатой мембране 14.
Устройство работает следующим образом. Исходный раствор под давлением подается по трубчатой мембране 14. Происходит мембранная фильтрация, при этом на внутренней поверхности мембраны образуется слой с повышенным содержанием растворенных веществ (явление концентрационной поляризации). Поток и слой устремляются в корпус 1, где концентрат с большим содержанием растворенных веществ через щели 6 засасывается в кожух 2. Для отвода более концентрированного диффузионного слоя предусмотрено перемещение кожуха 2, которое позволяет создать большую разность давлений в кожухе и в области щели, через которую производится его отвод. Концентрат отводится из кожуха 2 через штуцер 3.
Слой концентрата, не попавший в кожух 2, движется дальше по внутренней поверхности корпуса 1 и в конически сужающейся области штока 9 за счет разности давлений засасывается в кожух 4 через щели 8. Для создания большей разности давлений предусмотрено перемещение кожуха 4. Концентрат отводится из кожуха 4 через штуцер 5.
Таким образом, использование удлиненного штока с переменной конфигурацией, двух зон отвода и подвижных кожухов позволяет существенно увеличить количество отводимого диффузионного слоя и тем самым интенсифицировать процесс мембранного концентрирования.
Библиографическая ссылка
Шушпанников А.С. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ МЕМБРАННОГО АППАРАТА НОВОГО ТИПА С ЦЕЛЬЮ УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 8-2. – С. 243-246;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=32127 (дата обращения: 17.08.2024).